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排气歧管流固耦合计算 张长岭 王福志 赵铮 （长城汽车股份有限公司动力事业部，河北省保定市） 摘 要：本文采用流固耦合的方法（Fire 和 Abaqus 软件）计算了排气歧管的热应力，首先利用 Fire 计算出流场边界的对流 换热系数和温度。再用 Abaqus 计算排气歧管的温度场和热应力。确定热应力最大位置。 关键词：流固耦合；排气歧管；热应力；温度场 1 前 言 随着内燃机性能的不断提高，其零部件的热负荷也随之增加。排气歧管作为发动机的重要受热件之一，具有 工作热负荷大，热应力高特点，容易产生热疲劳失效、断裂等问题。因此在发动机的设计阶段，对其排气歧管进 行热应力分析是非常必要的。本文采用 CFD 与 FEA 结合的方法对发动机排气歧管进行热应力分析，并根据计算结 果来初步判断此排气歧管是否存在由于热疲劳而产生的失效、断裂等隐患。 2 排气歧管 CFD 计算 2.1 内流场计算与结果 首先考虑热负荷最恶劣的情况，即在发动机额定功率下的工况，通过 Boost 软件计算得到发动机在额定转速 6000rpm 时一个工作循环下排气歧管各个出口的流量、温度随曲轴转角变化的曲线（如图 2.1 所示），作为 Fire 软件的瞬态边界条件来计算排气歧管的内流场，得到排气歧管内壁面的瞬态对流换热系数和环境温度，再用时间 平均的方法计算出内壁面稳态对流换热系数和环境温度。排气歧管内流场瞬态边界条件进口给流量和温度，出口 给静压，其余为壁面边界条件，壁面温度给 550degC。排气歧管内壁 CFD 结果如图 2.2、2.3 所示，这个结果将要 作为 FEA 模型的内壁面边界条件来计算排气歧管的温度场。 图2.1 Fire瞬态计算的边界条件 图 2.2 气体的壁面温度 图 2.3 壁面的换热系数分布 2.2 外流场的计算与结果 外流场采用稳态计算方法，计算模型是模拟在实验室情况下，发动机前方布置一个风扇，以 2.5kg/s 的空气 流量吹向发动机（试验数据），对发动机进行冷却，出口采用静压即一个标准大气压。同样考虑热负荷最恶劣的情 况，即在发动机额定功率下的工况，根据性能计算得到排气歧管外部壁面温度作为边界条件进行计算。当计算达 到收敛后将计算后的空间壁面温度与换热系数映射到有限元网格，进行热应力计算。 图 2.4 外流场网格模型 图 2.5 歧管外壁面温度 图 2.6 歧管外壁面换热系数 3 排气歧管有限元模型 排气歧管计算的 FE 模型如图 3.1 所示，有限元网格用 Hypermesh 完成，边界条件用 Patran 软件处理，最后 用 Abauqs 来求解温度场和热应力。其中采用十节点四面体网格。共有节点 59787；单元 32157 个。 图 3.1 有限元模型 4 温度场计算及结果 排气歧管温度场计算控制方程为：   t   t   t xkxxkyzkz q k t   热边界条件为第一类边界条件 t=g(x,y)和第三类边界条件  htt ，和缸盖接触壁面为第一类边界条件，f n 其余面给第三类边界条件。排气歧管内外壁的热边界条件由 CFD 计算得到。图 4.1 为排气歧管温度场的计算结果； 最高温度为 661.9℃，出现在排气支管交汇处；最低温度为 283.6℃，出现在与气缸盖接触的法兰盘外侧边缘，由 于此处间断地受到高温废气的加热，所以温度较低。由云图可知，排气歧管温度分布不均